引水隧洞施工技術淺析

黃躍輝

摘 要：引水隧洞工程的施工是水利水電工程施工中的難點。在壓力引水隧洞施工的過程中，最重要的是在開挖后采用科學、合理的臨時支護和永久支護方法。結合自身的工作經驗，淺析了壓力引水隧洞的施工技術，以解決施工過程中遇到的難點問題。

關鍵詞：引水隧洞；施工技術；混凝土澆筑；邊坡支護

中圖分類號：TV554 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.144

1 工程概況

筆者曾參與過某水電站引水隧洞的施工。該電站為低閘引水式電站，裝機容量30 MW，引水隧洞全長3 307 m，進口高程999.00 m，終點高程971.50 m，引用流量134.7 m3/s，額定水頭25.5 m；采用了馬蹄形斷面形式，過流斷面頂拱半徑3.2 m，頂拱半角180°，底板寬6.4 m，過流斷面36.56 m2，流速3.68 m/s。根據隧洞沿線不同的圍巖條件，Ⅱ類和Ⅲ類圍巖襯砌按照透水襯砌設計，主要目的是減糙，混凝土標號為C25，厚度為30 cm；Ⅳ類和Ⅴ類圍巖C25襯砌厚度分別為60 cm、80 cm，全斷面固結灌漿入巖4.0 m，每排12孔，排距3.0 m，全斷面設置錨筋Φ25，長4.5 m，間排距1.5 m。各類圍巖頂拱均回填灌漿。

2 工程地質

引水隧洞洞身段處于泥頁巖夾砂巖中，埋深20～80 m。受斷層破碎帶的影響，巖石風化嚴重，極易破碎，隧洞掘進中經常出現坍塌和滲水現象，成洞條件差。

3 施工情況

隧洞進口至調壓井全長3 307 m，本文選取了最具有代表性、施工難度最大的首段1號洞段來探討其開挖和襯砌施工技術。該洞段長938.60 m，隧洞開挖跨度8.00～8.40 m，襯砌后跨度6.40 m。

3.1 施工支洞工程施工工序和方法

3.1.1 洞口施工邊坡保護

在支洞口石方明挖施工中，要及時采取邊坡支護措施，以確保開挖邊坡的穩(wěn)定性。洞口削坡應自上而下進行，嚴禁上下垂直作業(yè)。

3.1.2 施工支洞開挖

在確認洞臉邊坡穩(wěn)定及邊坡上無危險物后掛口進洞，靠近洞臉處的巖體開挖和起始洞段的洞身開挖要采用淺眼弱爆破方法，以免洞臉邊坡因爆破而發(fā)生巖體震裂、松動和塌方現象。

為了確保洞口的穩(wěn)定性和安全性，支洞采取以下施工方案：①施工支洞斷面的凈空斷面為5.4 m×5.2 m，S凈=28.08 m2。②采用2Φ25 mm、L=4.0 m的超前錨桿，環(huán)向間距30 cm。③立格柵拱架的規(guī)格為20 cm×20 cm，間距為80 cm，連接筋Φ22 mm螺紋鋼，長0.8 m，間距1.0 m。鎖腳錨桿每榀12根，長3.5 m（Φ25 mm螺紋鋼）。④洞口采用Φ12掛網鋼筋，澆筑C20砼30 cm鎖口。

3.1.3 質量情況

經過近10年的時間，只進行了臨時支護的120 m長的施工支洞目前仍然較為穩(wěn)定。但作為以后的檢修洞，建議要盡快采取永久支護措施。

3.2 隧洞主洞洞身開挖

3.2.1 開挖方案與工期安排

引水隧洞采用城門洞形，開挖底寬7.6～8.0 m，高7.6～8.0 m。為了便于施工，Ⅳ類和Ⅴ類圍巖開挖采用正臺階法光面爆破施工方案，上臺階開挖150 m左右時停止，開始開挖下臺階。為減少爆破對圍巖的擾動，開挖下臺階時，要預留30 cm的保護層，然后人工配合150型挖掘機開挖至設計高程。Ⅲ類圍巖采用全斷面光面爆破施工方案。為確保洞室內開挖的安全，隧洞施工臨時支護緊跟開挖工作掌子面進行。

3.2.2 鉆孔與爆破

鉆孔：引水隧洞采用YT-28氣腿式風鉆鉆孔，孔徑為42 mm。

爆破設計：引水隧洞開挖采用楔形掏槽方式，周邊光面爆破。Ⅳ類和Ⅴ類圍巖部位以及向斜地質構造等特殊部位的爆破采用“短進尺、弱爆破，周邊孔加密布置，隔孔裝藥爆破”的方式，盡量降低單響藥量，最大限度地降低爆破震動對圍巖的不利影響。炸藥使用的是2#巖石乳化炸藥，雷管使用的是非電毫秒微差雷管。周邊孔采用竹片或導爆索分節(jié)間隔裝藥，爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥，最后采用砂和黏土的混合物堵塞。光面爆破參數需通過試驗確定，施工中，按照選定的參數總結每次爆破效果，并測量半孔率和輪廓的不平整度。施工初期，要根據經驗公式選定各項參數。根據相關技術條款，Ⅲ類圍巖循環(huán)進尺不應大于3.5 m，Ⅳ類圍巖的循環(huán)進尺不應大于2.2 m，Ⅴ類圍巖的循環(huán)進尺不應大于1.2 m。經統(tǒng)計，本工程實際循環(huán)進尺如下：Ⅲ類圍巖循環(huán)進尺為2.2～2.5 m，Ⅳ類圍巖的循環(huán)進尺為1.65～1.95 m，Ⅴ類圍巖的循環(huán)進尺為1.0～1.05 m。

出碴：爆破后采用2 m3側翻裝載機裝5 t自卸汽車由掌子面運至洞口棄碴場堆棄。

3.3 主洞臨時支護

3.3.1 典型洞段的臨時支護措施

隧洞開挖施工采用新奧法，設計支護施工必須及時、快速。支護的機構型式與掌子面的關系：Ⅲ類圍巖不超過20 m 距離，Ⅳ類和Ⅴ類圍巖緊跟掌子面。洞內臨時支護形式主要包括錨桿、掛鋼筋網、噴混凝土等常規(guī)支護形式，Ⅳ類和Ⅴ類巖石較差部位采用鋼拱架（Φ25格柵或16#工字鋼拱架）、超前錨桿等支護形式。在實際施工中，為適應地質條件和結構條件的變化，需綜合采用各種支護方式，并根據不同的圍巖類別選取不同的臨時支護參數。

3.3.2 不良地質段的臨時支護措施

該隧洞主要包含弱風化的砂巖、泥頁巖夾砂巖和強風化卸荷的灰?guī)r、泥灰?guī)r夾白云巖，巖石較為完整，以中厚層至薄層狀、塊狀為主。掘進中，出現了局部掉塊、垮塌和滲水、滴水現象，成洞條件差，毛洞在短時間內穩(wěn)定。經過地質工程師的復核和監(jiān)理、業(yè)主等各方的現場確認，認定其為Ⅳ類圍巖，需采取Ⅳ類圍巖的支護措施進行支護。

3.3.3 Ⅴ類圍巖段的臨時支護措施

該圍巖以深灰色泥頁巖為主，巖體結構松散、節(jié)理發(fā)育，有滲水、涌水現象；錘擊無回彈，浸水后可手捏成團；無自穩(wěn)能力，松動、變形現象非常嚴重。經過地質工程師的復核和各方現場確認，認為其為Ⅴ類圍巖，支護措施與“無名溝”段相同，格柵拱架主筋由Φ22螺紋鋼筋調整為Φ25螺紋鋼筋。

3.3.4 淺埋段的臨時支護措施

“無名溝”引0+447～引0+518段隧洞圍巖屬三疊系上統(tǒng)白果灣組地層（T3bq），圍巖以深灰色泥頁巖為主，巖體結構松散、節(jié)理發(fā)育，有滲水、涌水現象；錘擊無回彈，浸水后可手捏成團；無自穩(wěn)能力，開挖后松動、變形現象普遍。地表地貌顯現為沖溝，溝心處至隧道洞頂埋深不足30 m。當地礦場在溝中心建造了一座洗礦池，在地面挖了一個深度超過10 m的坑，用來存放礦碴。經實地查看，地表洗礦池堆積的礦碴殘粉完全呈泥糊狀。如此一來，該段隧洞實際埋深不足20 m，安全隱患突出。為確保隧洞穿越“無名溝”段的安全，經充分討論，該段按Ⅴ類圍巖施工。

3.4 混凝土襯砌施工

3.4.1 混凝土工程施工總體安排

引水隧洞混凝土澆筑與開挖工序一樣，分為上、下游兩個工作面和開挖工序平行作業(yè)。先澆筑底板混凝土，邊頂拱混凝土施工緊跟其后。

3.4.1.1 混凝土澆筑工序安排

本工程引水隧洞混凝土澆筑施工采用“先澆筑底板，后澆筑邊頂拱”的工藝。引水隧洞開挖、襯砌平行作業(yè)如圖1所示。

3.4.1.2 混凝土施工工藝流程

混凝土施工工藝流程為：①當將上臺階開挖至150 m時，開始挖下臺階；②下臺階開挖完成后即進行C15墊層混凝土施工；③待墊層混凝土達到一定強度后，開始綁扎底板鋼筋；④待邊底板完成4個以上倉位時，開始澆筑邊頂拱混凝土。至此，底板、邊頂拱澆筑各個工序之間就能形成互不影響的流水作業(yè)。

3.4.2 砼工程施工

3.4.2.1 隧洞襯砌混凝土澆筑方法

隧洞襯砌混凝土澆筑方法主要有：①分層、分段澆筑法。隧洞混凝土襯砌施工采用“先澆筑底板、再澆筑邊頂拱”的方法。邊頂拱采用鋼模臺車施工，相鄰澆筑段間采用橡膠止水帶連接，洞內襯砌混凝土施工采用循環(huán)作業(yè)方式。②底板澆筑方法。底板混凝土每隔12 m一個倉位，混凝土澆筑嚴格按澆筑工藝進行。澆筑時，混凝土由施工支洞洞口混凝土拌和站供料，由4.0 m3 混凝土攪拌車運輸至工作面附近，HB60型混凝土泵泵送入倉，Φ50插入式振搗器振搗。底板澆筑方法如圖2所示。③邊頂拱澆筑方法。邊墻及頂拱采用鋼模襯砌臺車，為方便轉彎段的砼澆筑，將鋼模襯砌臺車改裝為2 m×6 m的規(guī)格。

邊頂拱澆筑的流程為：①臺車就位。鋼模臺車按使用說明書在廠家指導下使用。模板在使用之前清理干凈，并涂刷脫模劑。模板與已澆筑混凝土面的接觸必須嚴密，以保證混凝土表面的平整度和混凝土的密實性，避免產生錯臺、掛簾等缺陷。安裝兩端堵頭模板是鋼模臺車施工流程中的關鍵工序之一，為了保證兩端側模模板安裝的牢靠度，在鋼模板周邊設計了一些安裝在兩端側模模板的專用工件、卡具和支撐傳力梁等。②混凝土入倉?；炷劣墒┕ぶФ炊纯诨炷涟韬驼竟┝希到y(tǒng)設計生產能力為70 m3/h。采用4.0 m3混凝土攪拌車運輸混凝土，混凝土入倉采用1臺HB60混凝土泵泵送入倉?；炷寥雮}后采用振搗器輔以人工攤鋪，鋪料厚度不得大于振搗棒長度的1.25倍。兩側混凝土應均衡上升，高差不大于50 cm。同一澆筑塊在澆筑時要左右對稱、均勻，然后加強振搗。在斜面（約3.3%）上澆筑混凝土時，要從低處開始，使?jié)仓姹３炙?。③平倉振搗?；炷琳駬v根據不同襯砌厚度和不同部位（側拱、頂拱）選用Φ100、Φ50 插入式振搗器振搗。振搗時，要均勻移動振搗器，移動間距不得大于振搗器的影響半徑。振搗上一層混凝土時，應將振搗棒插入下一層混凝土下15 cm，以免漏振和過振。為使所澆筑混凝土內實外光，除利用軟軸插入式振搗器振搗外，還可在鋼模臺車內側布置一定數量的附著式平板振搗器進行振搗。在澆筑邊墻部位時，要利用混凝土泵從兩側受料口向底拱均勻地布料，同時加強混凝土振搗，控制澆筑速度。

3.4.2.2 混凝土養(yǎng)護

根據施工條件，可采用灑水噴霧的方式養(yǎng)護混凝土，養(yǎng)護時間不少于21 d。

3.4.2.3 施工縫面處理

對于光滑的基巖面，扎筋立模前應對其進行鑿毛處理；對于軟弱或易風化的基巖，基礎驗收合格后應盡快用混凝土或噴混凝土予以保護，以免在以后的立模扎筋等施工活動中被擾動或風化。

對于混凝土水平施工縫，在混凝土終凝前，按監(jiān)理工程師的要求進行鑿毛處理，并縱向布設2 cm×3 cm的遇水膨脹止水條。上一分層倉號混凝土入倉前，需先鋪一層2～3 cm厚的水泥砂漿。

4 結束語

通過采取各種措施，順利完成了隧洞泥頁巖地段、淺埋地段和Ⅴ類圍巖地段的開挖和支護施工作業(yè)。目前，該電站引水隧洞已順利完成充放水試驗，并已安全運行了5年。

〔編輯：王霞〕

Abstract： The construction of the diversion tunnel project is the difficulty in the construction of water conservancy and Hydropower projects. In the process of pressure diversion tunnel construction， the most important is to adopt scientific and reasonable temporary support and permanent support after excavation. Based on the author's working experience， the author analyzes the construction technology of the pressure diversion tunnel， in order to solve the problems encountered in the construction process.

Key words： water diversion tunnel； construction technology； concrete pouring； side slope support